Hot på hælene på kvasipartikler

Elektroner i et fast stof kan gå sammen om at danne såkaldte kvasipartikler, som fører til nye fænomener. Fysikere ved ETH i Zürich har nu undersøgt tidligere uidentificerede kvasipartikler i en ny klasse af atomtynde halvledere. Forskerne bruger deres resultater til at rette en fremherskende fejlfortolkning.

Hvis man forsøger at forstå vejrfænomener, det nytter ikke meget at se på opførsel af enkelte vanddråber eller luftmolekyler. I stedet, meteorologer (og også lægfolk) taler om skyer, vind og nedbør - objekter, der skyldes det komplekse samspil mellem små partikler. Fysikere, der beskæftiger sig med de optiske egenskaber eller faststoffers ledningsevne, bruger stort set den samme fremgangsmåde. Igen, små partikler - elektroner og atomer - er ansvarlige for en lang række fænomener, men et oplysende billede tegner sig først, når mange af dem er grupperet i "kvasipartikler".

Imidlertid, at finde ud af præcist hvilke kvasipartikler der opstår inde i et materiale, og hvordan de påvirker hinanden, er ikke en simpel opgave, men mere beslægtet med et stort puslespil, hvis brikker passer sammen, lidt efter lidt, gennem hård forskning. I en kombination af eksperimentelle og teoretiske undersøgelser, Ataç Imamoglu og hans samarbejdspartnere på Institute for Quantum Electronics ved ETH i Zürich er nu lykkedes med at finde et nyt stykke puslespil, hvilket også hjælper med at sætte et tidligere malplaceret stykke i sin korrekte position.

Excitoner og polaroner

I faste stoffer kan der laves kvasipartikler, for eksempel, når en foton absorberes. Elektronernes bevægelsesenergi, der vrimler rundt i et fast stof, kan kun tage værdier inden for veldefinerede områder kendt som bånd. En foton kan fremme en elektron fra et lavtliggende til et højtliggende energibånd, og efterlader dermed et "hul" i det nederste bånd.

Den ophidsede elektron og det resulterende hul tiltrækker hinanden gennem den elektrostatiske Coulomb -kraft, og hvis denne attraktion er stærk nok, elektronhullets par kan ses som en kvasipartikel - en "exciton" er født. To elektroner og et hul kan binde sammen for at danne en trion. Når excitoner og et stort antal frie elektroner samtidig er til stede, beskrivelsen af ​​materialets kvalitativt nye - eller "nye" egenskaber kræver introduktion af nye typer af kvasipartikler kaldet Fermi polarons.

Kvasipartikler i en halvleder

Imamoglu og hans kolleger ønskede at finde ud af arten af ​​kvasipartikler, der forekommer i en bestemt type halvledere, hvor elektroner kun kan bevæge sig i to dimensioner. For at gøre det, de tog et enkelt lag molybdæn -diselenid, der er tusind gange tyndere end et mikrometer og klemte det mellem to diske bornitrid. De tilføjede derefter et lag grafen for at anvende en elektrisk spænding, hvormed elektronens tæthed i materialet kunne kontrolleres. Endelig, alt var placeret mellem to spejle, der dannede et optisk hulrum.

Med dette komplekse eksperimentelle setup kunne fysikerne i Zürich nu undersøge detaljeret, hvor stærkt materialet absorberer lys under forskellige forhold. De fandt ud af, at når halvlederstrukturen er optisk spændt, Fermipolaroner dannes - og ikke, som tidligere troet, excitoner eller trioner. "Indtil nu, forskere - inklusive mig selv - har fejlfortolket de tilgængelige data på det tidspunkt i den henseende ", indrømmer Imamoglu. "Med vores nye eksperimenter er vi nu i stand til at rette op på det billede."

Teamindsats med en gæsteforsker

"Dette var en teamindsats med væsentlige bidrag fra Harvard -professor Eugene Demler, der samarbejdede med os i flere måneder, da han var ITS -stipendiat ", siger Meinrad Sidler, der er doktorand i Imamoglus -gruppen. Siden 2013 har ETH's Institut for Teoretiske Studier (ITS) bestræbt sig på at fremme tværfaglig forskning i skæringspunktet mellem matematik, teoretisk fysik og datalogi. I særdeleshed, den ønsker at lette nysgerrighedsdrevet forskning med det formål at finde de bedste ideer på uventede steder.

Undersøgelsen af ​​Imamoglu og hans kolleger, nu udgivet i Naturfysik , er et godt eksempel på, hvordan dette princip kan blive en succes. I sin egen forskning, Eugene Demler beskæftiger sig med ultrakølede atomer, undersøge hvordan blandinger af bosoniske og fermioniske atomer opfører sig. "Hans indsigt i polaroner i atomgasser og faste stoffer har givet vores forskning vigtige og interessante impulser, som vi måske ikke selv har fundet på ", siger Imamoglu.

Lysinduceret superledning

Den indsigt, de har samlet, vil højst sandsynligt holde Imamoglu og hans samarbejdspartnere travlt i et stykke tid fremover, da interaktionerne mellem bosoniske (såsom excitoner) og fermioniske (elektroner) partikler er emnet for et stort forskningsprojekt, som Imamoglu vandt et Advanced Grant fra European Research Council (ERC) sidste år, og understøttes også af National Center of Competence in Research Quantum Science and Technology (NCCR QSIT). En bedre forståelse af sådanne blandinger ville have vigtige konsekvenser for grundforskning, men spændende applikationer lokker også. For eksempel, et centralt mål for ERC -projektet er demonstration af kontrol af superledelse ved hjælp af lasere.